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Batterie per smartphone e tablet: tecnologie, evoluzione e consigli

In questo primo articolo dedicato alla tecnologia degli smartphone vi parliamo delle batterie, di come funzionano, delle evoluzioni future e vi diamo alcuni consigli per preservare la longevità.

Batterie per smartphone e tablet: tecnologie, evoluzione e consigli

Introduzione

Il 2014 è ormai parte del passato, e una nuova generazione di dispositivi si staglia all'orizzonte. È ora di guardare avanti e scoprire cosa ci riserva il futuro degli smartphone. Inizieremo concentrandoci sulle tecnologie delle batterie, presenti e future, assieme a qualche consiglio che vi permetterà di migliorare l'autonomia dei vostri dispositivi. Le prestazioni della batteria – sia per quanto riguarda la durata che la ricarica – è un'area in cui c'è molto spazio di miglioramento, e ci sono diverse tecnologie in sviluppo che mirano a questo risultato. In questo articolo ci saranno molti riferimenti a chimica e fisica delle batterie. Non siamo né chimici né fisici, quindi se qualche addetto ai lavori dovesse notare qualche imprecisione, lo preghiamo di segnalarcela, nonostante le informazioni di base che vogliamo comunicare rimangono corrette.

Le batterie al litio

Le tecnologie delle batterie ricaricabili si sono continuamente evolute per tenere testa agli incrementi di prestazioni dei dispositivi elettronici portatili, un vero e proprio "hot topic" nella comunità scientifica. La maggior parte delle batterie usa una chimica basata sul litio, le più comuni sono quelle agli ioni di litio (Li-ion) e ai polimeri di litio (Li-po). Le batterie agli ioni di litio hanno rimpiazzato quelle al nichel-cadmio (Ni-Cad) alla fine del ventesimo secolo, aumentando drasticamente la capacità e riducendo nel contempo il peso.

Le batterie Li-ion sono generalmente prodotte sotto forma di celle a bottone o come lunghi cilindri metallici (di forma e dimensioni simili a quelle di una batteria AA), impacchettati poi per formare la batteria che trovate dentro alcuni telefoni. Questa soluzione offre un rapporto di capienza per volume decisamente inefficiente. Le batterie Li-po sono state realizzate alcuni anni dopo, usano la stessa chimica di base, ma il solvente liquido è stato rimpiazzato da un composto polimerico solido, e la batteria stessa è incapsulata in una laminazione plastica, anziché un contenitore in metallo rigido, offrendo un po' più di flessibilità d'uso.

La maggior parte delle batterie basate sul litio usa un processo chimico dove gli ioni di litio (Li+) si muovono dall'anodo (elettrodo positivo) al catodo (elettrodo negativo) attraverso una soluzione elettrolitica, rilasciando elettricità al circuito (e quindi alimentando il vostro smartphone e tablet). Durante la ricarica il processo è quello inverso, cioè gli ioni Li+ sono assorbiti dall'anodo. La capacità della batteria è essenzialmente definita dal numero di ioni Li+ che l'anodo è in grado di assorbire. Praticamente tutte le batterie al litio commerciali hanno anodi in grafite, con un'ampia superficie regolare per massimizzare l'assorbimento di ioni.

Le batterie al litio, purtroppo, si degradano nel tempo, e questo processo è velocizzato ad alte temperature, specialmente durante la ricarica, un processo che incrementa di per sé la temperatura. E lo stesso accade quando si usa il dispositivo, azione che alza la temperatura del dispositivo stesso, come tutti vi sarete accorti. Questo è il motivo per cui è consigliabile usare un caricatore a basso amperaggio per la ricarica notturna, poiché la ricarica veloce causa un notevole incremento della temperatura della batteria.

Le batterie al litio si degradano nel tempo, e questo processo è velocizzato alle alte temperature.

Questo processo d'invecchiamento è causato dal cambiamento chimico e strutturale degli elettrodi. Gli ioni Li+ possono nel tempo danneggiare la superficie degli elettrodi. I sali di litio che costituiscono l'elettrolita possono cristallizzarsi sugli elettrodi, intasando i pori e prevenendo l'assorbimento di ioni Li+. La degradazione delle batterie è comunemente conosciuta come "efficienza di Coulomb", che descrive il rapporto tra la quantità di elettroni estratti dall'anodo e la quantità di quelli che è in grado di assorbire durante la ricarica. Solitamente questa efficienza è nell'ordine del 99.9% per le batterie commercializzate.

Una delle preoccupazioni maggiori con le batterie Li-ion e Li-po è il rischio che prendano fuoco se sovraccaricate, surriscaldate o danneggiate. I circuiti di ricarica dei dispositivi portatili sono progettati per prevenire i primi due effetti, ma se qualcosa non dovesse funzionare, la situazione potrebbe diventare pericolosa, in quanto l'accumulo di calore potrebbe trasformarsi in una deriva termica. In altre parole, esplodere. Il rischio di forare la batteria è raro, in quanto sono solitamente protette dai dispositivi stessi che le ospitano. Un fattore che a volte non viene considerato è la ventilazione, necessaria per migliorare la dissipazione del calore generato durante il funzionamento. Inoltre permette di prevenire la generazione di solventi infiammabili nel caso di danneggiamento, e quindi evitare esplosioni.

Miglioramenti futuri

I miglioramenti su cui i ricercatori lavorano più assiduamente sono il raggiungimento di densità più elevate, una durata maggiore, più sicurezza e una velocità di ricarica superiore. Con la tecnologia Li-po attuale, usare un materiale migliore per l'anodo migliora sia la capacità sia la longevità della batteria; una maggiore velocità di assorbimento incide invece sulla velocità di ricarica, mentre un maggior numero di ioni di litio incrementa la capacità, mentre la resistenza del materiale che compone l'anodo incide sulla longevità della batterie.

Il futuro delle batterie? Capacità e durata maggiore, più sicurezza e ricarica veloce.

Altre aree di ricerca includono l'elettrolita usato e le tecniche di produzione dei vari componenti, con lo scopo di contenere i costi.

Componenti non infiammabili

Gli scienziati stanno attivamente ricercando i modi per rendere le batterie più sicure. Recentemente è scoppiato un incendio a bordo di un Boeing 787, causato a quanto pare da alcune batterie ai polimeri di litio usate dal velivolo. L'Università della Carolina ha annunciato di aver scoperto un modo per rimpiazzare il solvente organico altamente infiammabile usato dalle batteria al litio, chiamato perfluoropolietere (PFPE). Gli oli PFPE sono da tempo largamente usati come lubrificanti industriali, ma il gruppo di scienziati ha scoperto che è possibile disciogliere al loro interno dei sali di litio.

Gli scienziati stanno lavorando per rendere le batterie al litio più sicure.

Il team pensa che il PFPE può essere anche migliore dei solventi attuali, poiché può ridurre l'effetto di cristallizzazione  sugli elettrodi e allungare la vita della batteria. Sono necessari altri test prima di passare alla produzione di massa, ma aspettatevi batterie agli ioni di litio non infiammabili molto presto.

Ricarica veloce

Un gruppo di ricerca dell'Università Tecnologica di Nangyang che sta lavorando sugli anodi ha sviluppato una batteria Li-ion che può essere ricaricata al 70% in solo due minuti, in grado di durare fino a 10mila cicli di ricarica. Questa tecnologia è molto interessante non solo per i dispositivi mobili, ma anche per l'industria delle automobili.

Anziché usare un anodo in grafite, è stato usato un gel composto da nanotubi di diossido di titanio, creato partendo dalla titania. La titania, o biossido di titanio, è una sostanza molto economica usata come componente attivo della protezione solare, e può essere trovata in una varietà di pigmenti, anche nel latte scremato, poiché migliora la bianchezza.

Il diossido di titanio è stato testato come materiale per l'anodo in passato, ma l'uso di un gel di nanotubi incrementa notevolmente la superficie, così l'anodo può assorbire ioni Li+ più velocemente. Il team di ricercatori ha anche osservato che il diossido di titanio è in grado di assorbire più ioni Li+ ed è meno incline alla degradazione rispetto alla grafite. I nanotubi di titanio sono relativamente semplici da creare; la titania è mescolata con soda, riscaldata, lavata con acido diluito e riscaldata per altre quindici ore. Il team ha brevettato la scoperta, quindi aspettatevi la prima generazione di batterie al litio a ricarica veloce (molto veloce) arrivare sul mercato nei prossimi anni.

Entro qualche anno le batterie si ricaricheranno molto velocemente.

Nel frattempo aziende come Qualcomm stanno lavorando sull'incremento della velocità di carica delle batterie Li-ion esistenti con soluzioni come QuickCharge, usando chip di comunicazione che permettono di massimizzare la corrente in ingresso senza danneggiare la circuiteria interna o surriscaldare la batteria. Qualcomm QuickCharge è già disponibile su alcuni smartphone Android come l'HTC One M8, Nexus 6 e Galaxy Note 4.

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